Ganzheitlicher Ansatz für das Design von Einzelpfählen und Pfahlgruppen unter zyklischer Belastung

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Jürgen Grabe; Professor Dr.-Ing. Torsten Wichtmann
• Fachliche Zuordnung: Geotechnik, Wasserbau
• Förderung: Förderung seit 2019
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 409759834

Für das Design von Pfahlgründungen ist das Langzeit-Last-Verformungsverhalten von Pfählen unter zyklischer Axial- und Horizontallast von großer Bedeutung. Eine Vorhersage dieses Verhaltens ist aufgrund der unterschiedlichen Arten der zyklischen Belastung sowie einer im Vergleich zu konventionellen Ingenieurbauwerken extrem großen Anzahl an Lastzyklen mit großen Unsicherheiten verbunden. Es ist ein Bemessungsansatz erforderlich, der das Bodenverhalten unter zyklischer und hochzyklischer Belastung und das spezifische Lastverhalten der Struktur wiedergibt. Existierende Ansätze zeigen bereits bei der Anwendung auf monotone Pfahlbelastungen signifikante Unsicherheiten auf. Das Hauptziel dieses Forschungsvorhabens ist die Weiterentwicklung eines Bemessungsansatzes basierend auf einem existierenden Bettungsmodell namens SRMHYP, das momentan für die zyklische laterale Belastung von Einzelpfählen in Sand ausgelegt ist. Dieses Modell soll am Ende des Projektes folgende Fälle abdecken: Einzelpfähle und Pfahlgruppen, Sand und Ton, zyklische und hochzyklische axiale und laterale Belastung, Bodensteifigkeit bei kleiner und großer Dehnung, ratenunabhängiges Verhalten von Sand und ratenabhängiges Verhalten von Ton, Effekte infolge Pfahlinstallation und Anwachseffekte. Zur Validierung des SRMHYP-Modells werden die Ergebnisse aus Zentrifugenversuchen, numerischen Simulationen und vorhandene Ergebnisse aus Feldversuchen verwendet. Alle geplanten Experimente, Modelle und numerischen Simulationen sind für zwei definierte Modellböden ausgelegt, nämlich ein feiner gleichförmiger Quarzsand als Vertreter für kohäsionslose Böden und ein Kaolin als Vertreter für kohäsive Böden. Die Ergebnisse der bodenmechanischen Laborversuche an Sand und Kaolin mit zyklischer Belastung dienen als Eingangsgrößen für das SRMHYP-Modell, zur Weiterentwicklung eines Spannungs-Dehnungs-Modells für Kaolin zur Weiterentwicklung von Akkumulationsmodellen für Sand und Kaolin sowie zur Kalibrierung hypoplastischer und visko-hypoplastischer Modelle für Sand und Kaolin. Die Ergebnisse der Zentrifugenversuche an Pfählen in Sand und Kaolin unter zyklischer Last und unter definierten Bedingungen dienen der Validierung des SRMHYP-Modells und auch der numerischen Simulationen, da sie unter einem realistischen Spannungsniveau durchgeführt werden. Die numerische Simulation von Pfählen unter zyklischer und hochzyklischer Belastung erfolgt auf der Grundlage eines Kontinuumsansatzes und der FEM. Hierbei werden die oben beschriebenen weiterentwickelten Stoff- und Akkumulationsmodelle angewendet. Weiterhin sind Änderungen am Kontaktmodell für die Kontaktfläche Pfahl/Boden und Arbeiten an Stoffroutinen für das FE-Programm erforderlich. Die Ergebnisse der numerischen Simulationen dienen der Abstraktion des einfacheren und weniger rechenaufwändigen SRMHYP-Modells. Die Validierung von Simulationsmodellen erfolgt anhand der Ergebnisse aus Zentrifugen- und Feldversuchen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen